基于一维同轴纳米结构中表面等离激元效应的量子光学现象及其应用探索研究

Surface plasmon resonance is a much unique optical property of metal nanostructures. The study on the nanostructure systems based on surface plasmon resonance is one of the most rapidly developing worldwide hot topics, being named as Surface Plasmon Photonics. Combined closely with quantum information and nanostructural metal photonics, the aim of this project is to study the leading fundamentals of the miniaturization of optical devices and Surface Plasmon Photonics, and to prepare one-dimensional coaxial nanocable structures by using the two typical structures of medium-metal-medium and/or metal-medium-metal structures which are investigated widely in planar integrated surface plasmon waveguide devices. The emphasis will be paid on the intrinsic behaviors of low-dimensional surface plasmon in one-dimensional coaxial nanocables from noble metals (Au, Ag, etc) and medium, and the principle, manipulating method, quantum optical phenomena and so on of the strong coupling interaction between light and solid state quantum system based on such surface plasmon. We will also explore the potential applications of this type of nanoscale optical devices from such nanostructures in quantum memory, quantum repeater and quantum interference control.

表面等离子激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性，基于表面等离子激元共振的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子激元光子学。本项目紧密结合量子信息与纳米结构金属光学，瞄准光学器件的小型化和表面等离子光子学中的前沿基础问题，将目前广泛研究的平面集成表面等离子激元波导器件中两种典型结构（介质-金属-介质和金属-介质-金属结构）制备成纳米尺度的一维同轴电缆结构，重点研究贵金属（金、银）和介质构成的一维纳米同轴电缆中低维表面等离子激元的内在行为，以及基于这种表面等离子激元实现光与固态量子系统强耦合相互作用的原理、调控方法和相关的量子光学现象等，探索基于这种纳米结构的新型纳米尺度光学器件在量子存储、量子中继以及量子相干控制领域的应用前景。

表面等离子体（SPPs）是沿着导体表面传播的波，当改变导体表面结构或介质环境时，SPPs的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大变化。因此，通过SPPs与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动操控。本项目从实验上开展了贵金属、金属硫化物或氧化物半导体、金属@介质复合纳米结构的可控制备工艺研究并获得了系统的工艺参数；重点研究了所制备纳米结构基于表面等离子激元的光学性质，获得了光学性质的调控规律；从理论上研究了基于金属、石墨烯纳米结构中表面等离子激元的元激发特征和调制方法。相关研究成果在包括APL, OL, OE, SR, ACS AMI等在内的学术期刊上发表SCI检索论文21篇；参加国内外学术会议10人次。本项目在执行期间总计培养毕业硕士生5 名，在读博士/硕士生7 名。总之，项目研究达到了预期目标，对本课题组在队伍建设、人才培养以及学术交流中起到了很大的促进作用。